碳中和碳達(dá)峰背景下儲(chǔ)能系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)分析

趙亞韋 國(guó)網(wǎng)山西省經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院

實(shí)現(xiàn) 2030 年前碳達(dá)峰、2060 年前碳中和（簡(jiǎn)稱“雙碳”目標(biāo)）是國(guó)家進(jìn)行的重大戰(zhàn)略部署，其內(nèi)容具備了非常重大的世界意義。在電力系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，儲(chǔ)能系統(tǒng)屬于重要的組成內(nèi)容。基于“雙碳”目標(biāo)，做好儲(chǔ)能系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)梳理，這樣不僅可以優(yōu)化儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)容，而且對(duì)于實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)有著積極的促進(jìn)作用。

一、碳中和碳達(dá)峰相關(guān)內(nèi)容論述

（一）基礎(chǔ)內(nèi)容

“雙碳”目標(biāo)是我國(guó)按照《巴黎協(xié)定》規(guī)定更新的國(guó)家自主貢獻(xiàn)強(qiáng)化目標(biāo)以及面向21 世紀(jì)中葉的長(zhǎng)期溫室氣體低排放發(fā)展戰(zhàn)略，表現(xiàn)為二氧化碳排放水平由快到慢不斷攀升、在年增長(zhǎng)率為零的拐點(diǎn)處波動(dòng)后持續(xù)下降，直到人為排放源和吸收匯相抵。從碳達(dá)峰到碳中和的過(guò)程就是經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與二氧化碳排放從相對(duì)脫鉤走向絕對(duì)脫鉤的過(guò)程。電能作為推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要?jiǎng)恿?，做好?chǔ)能系統(tǒng)優(yōu)化屬于非常重要的工作內(nèi)容，對(duì)已有儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，可以為“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)奠定良好的技術(shù)基礎(chǔ)。

（二）約束條件

從目前的發(fā)展情況來(lái)看，在“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，存在以下約束條件：第一，根據(jù)目前統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)人均碳排放量已經(jīng)超過(guò)了7t，超過(guò)許多西方國(guó)家，而且在達(dá)到碳排放峰值前，所預(yù)留出的空間不足10%，若不能對(duì)其進(jìn)行有效控制，也會(huì)影響到碳中和活動(dòng)的順利進(jìn)行。第二，基于2018年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，目前國(guó)內(nèi)人均GDP超過(guò)1萬(wàn)美元，而西方國(guó)家的人均GDP超過(guò)3萬(wàn)美元，和西方國(guó)家之間存在較大的經(jīng)濟(jì)差距，這樣在推行“雙碳”任務(wù)時(shí)，也會(huì)遇到許多經(jīng)濟(jì)阻礙，進(jìn)而限制“雙碳”目標(biāo)的順利實(shí)現(xiàn)。

二、傳統(tǒng)儲(chǔ)能技術(shù)重要類型分析

（一）電儲(chǔ)能技術(shù)

電儲(chǔ)能又稱電磁儲(chǔ)能，現(xiàn)階段較為常見(jiàn)的包括超級(jí)電容器和超導(dǎo)磁儲(chǔ)能。超級(jí)電容器通過(guò)電磁場(chǎng)來(lái)存儲(chǔ)能量，具有充放電效率高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、功率密度大、適用工作溫度范圍大等優(yōu)點(diǎn)，但其能量密度較低，因此在微電網(wǎng)中一般與蓄電池配合使用。超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)利用超導(dǎo)線圈及變流器等快速存儲(chǔ)電磁能，能量密度大，但造價(jià)昂貴、維護(hù)成本高。

（二）熱儲(chǔ)能技術(shù)

熱儲(chǔ)能通常被進(jìn)一步分為顯熱儲(chǔ)熱、潛熱（相變）儲(chǔ)熱和熱化學(xué)儲(chǔ)熱三種形式。顯熱儲(chǔ)熱是以改變材料溫度的方式實(shí)現(xiàn)熱能的存儲(chǔ)與釋放，具有成本低和技術(shù)成熟的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于電力調(diào)峰調(diào)度、火電廠余熱回收和可再生能源發(fā)電等領(lǐng)域。潛熱儲(chǔ)熱是利用材料在相變時(shí)的吸熱和放熱過(guò)程進(jìn)行儲(chǔ)能，其儲(chǔ)能密度高、溫度變化小，是目前熱儲(chǔ)能領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。熱化學(xué)儲(chǔ)熱通過(guò)可逆熱化學(xué)反應(yīng)的方式實(shí)現(xiàn)熱能存儲(chǔ)，是目前儲(chǔ)熱密度最大的儲(chǔ)熱方式，目前仍處于技術(shù)研發(fā)階段。

（三）機(jī)械儲(chǔ)能技術(shù)

機(jī)械儲(chǔ)能是通過(guò)機(jī)械能與電能的相互轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)能量的存儲(chǔ)與釋放，主要包括抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能等技術(shù)。抽水蓄能技術(shù)的發(fā)展較為成熟，抽水蓄能電站在電力系統(tǒng)中可以起到削峰填谷、調(diào)頻調(diào)相、提供備用容量等作用，但其局限性在于受地理和氣候條件的限制。在壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用中，主要應(yīng)用在燃?xì)廨啓C(jī)當(dāng)中，借助空氣壓縮機(jī)可以順利完成能力存儲(chǔ)，隨后壓縮空氣的膨脹做功會(huì)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，此時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)也可以將電能及旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的動(dòng)能進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，以滿足系統(tǒng)運(yùn)行要求。該儲(chǔ)能方式在應(yīng)用中具備了運(yùn)行功率高、使用年限場(chǎng)等優(yōu)勢(shì)。

（四）電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)

該儲(chǔ)能方式在應(yīng)用中，其儲(chǔ)能原理是利用可逆的氧化還原反應(yīng)進(jìn)行電能的存儲(chǔ)和釋放，整個(gè)過(guò)程中，整個(gè)過(guò)程會(huì)以電池為載體進(jìn)行，在應(yīng)用中具有安裝便捷性、電能響應(yīng)速度快、技術(shù)成熟度高等，目前應(yīng)用較多的電化學(xué)存儲(chǔ)系統(tǒng)包括鋰電子儲(chǔ)能電池、鉛酸電池，液態(tài)流動(dòng)電池等。以鋰電池為例，該電池目前的應(yīng)用范圍非常廣泛，在手機(jī)制作、新能源汽車等領(lǐng)域中應(yīng)用較多，并且也具備了良好的推廣前景。

（五）化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)

除上述提到的技術(shù)種類外，化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)也屬于經(jīng)常使用到的儲(chǔ)能技術(shù)，該技術(shù)在應(yīng)用中的應(yīng)用原理在于，基于電能驅(qū)動(dòng)化學(xué)反應(yīng)，來(lái)完成能量存儲(chǔ)工作，目前經(jīng)常使用到的應(yīng)用載體為氫氣、天然氣等，利用氫氣進(jìn)行儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，其原理在于對(duì)水進(jìn)行電解處理，過(guò)程涉及氫氣制備、氫氣儲(chǔ)備、氫氣輸送、氫氣使用等環(huán)節(jié)，具備了維護(hù)成本較低、沒(méi)有污染等優(yōu)勢(shì)。但是其轉(zhuǎn)換過(guò)程中會(huì)對(duì)外釋放許多熱量，能量轉(zhuǎn)換率只有30%～50%，但是其在風(fēng)力系統(tǒng)中具備良好的適用性，被廣泛應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域。

三、雙碳背景下儲(chǔ)能系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)分析

（一）優(yōu)化儲(chǔ)能發(fā)電模型

基于“雙碳”應(yīng)用背景下進(jìn)行儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，優(yōu)化儲(chǔ)能發(fā)電模型屬于非常重要的工作內(nèi)容。在具體實(shí)踐中，需要細(xì)化儲(chǔ)能發(fā)電模型內(nèi)容，包括電流控制器、功率控制器、升壓電路、電網(wǎng)變頻器、蓄電池等內(nèi)容。在具體設(shè)計(jì)中也可以利用信息技術(shù)來(lái)構(gòu)建發(fā)電模型，同時(shí)也需要細(xì)化模型中的應(yīng)用參數(shù)，利用仿真模擬系統(tǒng)來(lái)校核參數(shù)合理性，從而提升設(shè)計(jì)方案內(nèi)容的合理性。在發(fā)電模型出的設(shè)計(jì)中，也需要考慮和其他設(shè)備之間的關(guān)聯(lián)性，以此為基礎(chǔ)來(lái)完成施工方案設(shè)計(jì)。在具體設(shè)計(jì)中，會(huì)利用BIM技術(shù)來(lái)搭建管理系統(tǒng)，協(xié)調(diào)和其他設(shè)備之間的關(guān)系，并且利用系統(tǒng)來(lái)完成總平面圖繪制，在具體繪制時(shí)會(huì)進(jìn)行分段處理，從而為后續(xù)施工活動(dòng)的順利進(jìn)行奠定基礎(chǔ)。

（二）完善系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)

在儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，也需要做好控制結(jié)構(gòu)的完善工作，基于“雙碳”背景，可以考慮設(shè)計(jì)綜合型控制系統(tǒng)，改善儲(chǔ)能系統(tǒng)充電和放電過(guò)程，以提高電能資源的利用效率。在具體設(shè)計(jì)中，第一，對(duì)于儲(chǔ)能系統(tǒng)線路進(jìn)行考量，目前主要使用到的線路類型有串聯(lián)線路和并聯(lián)線路兩種，同時(shí)也需要充分考慮到其他能源利用，例如，借助太陽(yáng)能來(lái)輔助充電過(guò)程，以減少其他形式的電能損耗[1]。第二，對(duì)于系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理優(yōu)化，可以借助信息技術(shù)輔助控制結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)，確?？刂葡到y(tǒng)具備以下功能：①確保儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出功率的安全性和穩(wěn)定性；②提升系統(tǒng)充放電過(guò)程的穩(wěn)定性；③協(xié)調(diào)儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出和輸入功的協(xié)調(diào)性；④具備儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行安全保護(hù)、有效監(jiān)測(cè)等功能。

（三）優(yōu)化儲(chǔ)能控制技術(shù)

在對(duì)儲(chǔ)能控制技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：第一，在社會(huì)用電量不斷增加的背景下，電力系統(tǒng)的負(fù)荷等級(jí)也在不斷提升。這樣也提高了系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)的難度，干擾到系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程的安全性?；诖?，進(jìn)行儲(chǔ)能設(shè)計(jì)時(shí)，需要充分考慮系統(tǒng)電容，在安全允許范圍內(nèi)擴(kuò)大儲(chǔ)能上限，從而提升所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的安全性。第二，在儲(chǔ)能系統(tǒng)中增加預(yù)警系統(tǒng)，其作用是對(duì)整個(gè)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如果出現(xiàn)異常問(wèn)題，如功率不合理、輸入電流過(guò)載等，系統(tǒng)在提出預(yù)警的同時(shí)，也會(huì)啟動(dòng)繼電保護(hù)，避免故障問(wèn)題影響到系統(tǒng)運(yùn)行安全性。第三，在儲(chǔ)能系統(tǒng)中也會(huì)融入自動(dòng)化技術(shù)，起到優(yōu)化控制系統(tǒng)的作用，具體內(nèi)容接下來(lái)將進(jìn)行詳述[2]。

（四）完善系統(tǒng)保護(hù)方式

在儲(chǔ)能系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，也需要做好系統(tǒng)保護(hù)方式的完善工作，這也是提升儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行安全性的重要基礎(chǔ)。在具體實(shí)踐中，也需注意以下內(nèi)容：①在儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作中，需要做好科學(xué)保護(hù)工作，如建立繼電保護(hù)結(jié)構(gòu)，對(duì)于儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而提升隱患問(wèn)題發(fā)生結(jié)果的有效性，提升所擬定技術(shù)保護(hù)效果的可靠性。②在儲(chǔ)能系統(tǒng)保護(hù)過(guò)程中，也需要做好系統(tǒng)調(diào)度工作，基于信息技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，對(duì)于應(yīng)用數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，跟進(jìn)分析結(jié)果來(lái)調(diào)整儲(chǔ)能信息參數(shù)，從而為電力調(diào)度活動(dòng)的推進(jìn)提供有效參考。③考慮到系統(tǒng)荷載的不斷提升，在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)處理時(shí)，也需要定期做好系統(tǒng)保護(hù)方式更新，使保護(hù)方式更加契合系統(tǒng)運(yùn)行要求，提升儲(chǔ)能系統(tǒng)工作狀態(tài)的安全性[3]。

（五）引入自動(dòng)化技術(shù)

在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，也需要充分利用自動(dòng)化技術(shù)優(yōu)勢(shì)，提升儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程的安全性，提高運(yùn)行問(wèn)題發(fā)現(xiàn)過(guò)程的及時(shí)性。在具體應(yīng)用中，也需要注意以下內(nèi)容：第一，在合適位置布設(shè)傳感器，其作用是對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)工作數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如輸入功率、輸出功率等，這些數(shù)據(jù)最終會(huì)在總系統(tǒng)中進(jìn)行整理，若突破安全值范圍會(huì)啟動(dòng)繼電保護(hù)系統(tǒng)，保護(hù)其他設(shè)備不受影響[4]。第二，自動(dòng)化技術(shù)在應(yīng)用中，也需要針對(duì)其他不同環(huán)節(jié)進(jìn)行集中化管理，作用是滿足統(tǒng)一的管理要求，便于儲(chǔ)能系統(tǒng)和其他設(shè)備之間的協(xié)調(diào)性。第三，做好自動(dòng)化技術(shù)維護(hù)工作，并且將新技術(shù)融入儲(chǔ)能系統(tǒng)管理當(dāng)中，這樣也可以更好地發(fā)揮技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值，確保儲(chǔ)能系統(tǒng)工作狀態(tài)的節(jié)能性與可靠性。

（六）優(yōu)化儲(chǔ)能系統(tǒng)規(guī)模

在儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用過(guò)程中，也需要優(yōu)化儲(chǔ)能系統(tǒng)規(guī)模，使其可以滿足電力系統(tǒng)運(yùn)行要求。在具體實(shí)踐中應(yīng)注意以下內(nèi)容：（1）為了滿足更大功率系統(tǒng)的運(yùn)行要求，需要在系統(tǒng)中設(shè)置超級(jí)電容器，作用是優(yōu)化配電系統(tǒng)、輸電系統(tǒng)和發(fā)電系統(tǒng)，從而滿足不同情況下系統(tǒng)運(yùn)行要求。同時(shí)也需要對(duì)開關(guān)元器件進(jìn)行科學(xué)選擇，使其可以滿足儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程的相關(guān)要求，以提升儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程的安全性。例如，目前推行的滅磁開關(guān)具備了良好的兼容性，在儲(chǔ)能系統(tǒng)中有著良好的應(yīng)用價(jià)值[5]。（2）在儲(chǔ)能系統(tǒng)優(yōu)化過(guò)程中，也需要做好新技術(shù)的應(yīng)用，如目前應(yīng)用較多的大數(shù)據(jù)技術(shù)、信息技術(shù)、智能技術(shù)等，這樣也提高了數(shù)據(jù)處理過(guò)程的高效性，同時(shí)也可以優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi)容，提升其儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程的安全性。

（七）做好儲(chǔ)能配置工作

除了上述提到的應(yīng)用內(nèi)容外，基于雙碳要求，在儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用中，也需要做好儲(chǔ)能配置工作。在具體設(shè)計(jì)中，也需注意以下幾點(diǎn)：第一，對(duì)于電力系統(tǒng)運(yùn)行期間涉及內(nèi)容進(jìn)行梳理，如輸電線路、儲(chǔ)能要求、輔助要求等，針對(duì)實(shí)際情況來(lái)優(yōu)化系統(tǒng)管理方案，提升儲(chǔ)能系統(tǒng)和其他設(shè)備之間的協(xié)調(diào)性[6]。第二，在具體應(yīng)用中，也可以將PLC技術(shù)融入儲(chǔ)能系統(tǒng)管理中，使其可以對(duì)電力系統(tǒng)兼容性進(jìn)行優(yōu)化，利用I/O擴(kuò)展口來(lái)提升系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程的安全性。第三，在應(yīng)用中也需要對(duì)儲(chǔ)能配置方案進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，使儲(chǔ)能系統(tǒng)可以契合不同階段的運(yùn)行要求，提升系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程的安全性。

四、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在碳中和碳達(dá)峰背景下，如何提高電能應(yīng)用過(guò)程節(jié)能性，屬于非常重要的工作內(nèi)容。通過(guò)采取合理措施來(lái)提升儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，對(duì)于減少電能損耗，減少碳排放有著積極的意義。